毕业设计论文PLC控制花样喷泉doc.docx
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毕业设计论文PLC控制花样喷泉doc
毕业论文
题目PLC控制花样喷泉
专业机电一体化
班级09级2班
学生姓名
指导教师
答辩日期2011/5/30
佛山职业技术学院毕业论文任务书
(学生任务书-----由指导教师填写)
系专业班同学:
一、毕业论文课题
二、毕业论文内容和目标
三、参考资料
四、毕业论文课题时间:
年月日至年月日
五、进度安排:
周次
工作内容
预定目标及检查方式
六、备注:
1、本任务书一式三份,教研室、指导教师和学生各执一份;
2、学生须将此任务书按装订要求进行装订。
目录
第1章概述1
1.1喷泉控制系统的应用1
1.2PLC花样喷泉控制系统1
第2章系统整体方案设计2
2.1实现方法分析与可行性讨论2
2.1.1单片机喷泉控制系统2
2.1.2工控机喷泉控制系统3
2.1.3PLC喷泉控制系统4
2.2总体实现方案5
第3章PLC简介6
3.1PLC常识6
3.2PLC的特点与应用领域7
3.3PLC的基本组成与分类8
3.4PLC的工作原理9
3.5PLC的性能指标与发展趋势10
3.6国内外PLC产品介绍11
3.7三菱PLC-FX2N系列介绍12
第4章花样喷泉设计方案16
4.1花样喷泉的模型16
4.2花样控制要求17
4.2.1花样控制的几种模式17
4.2.2 各种模式的动作状态17
第5章PLC花样喷泉控制系统的实现18
5.1硬件设计18
5.1.1PLC的选择18
5.1.2PLC的输入输出分配18
5.2PLC应用程序设计19
5.2.1采用顺序功能流程图(SFC)设计方法19
5.2.2设计方案21
5.2.3设计过程中的关键问题及实现21
第6章结束语22
参考文献:
22
致谢:
22
第1章概述
1.1喷泉控制系统的应用
随着人们生活水平的提高,城市环境建设日益为人们所重视。
喷泉作为一种观赏性较高的艺术水景,不断地出现在城市广场、居民小区、公园等场所。
它不仅可以增加周围空气的湿度,减少空气中的尘埃,降低空气温度,更为人们生活增添了不少情趣。
自动控制喷泉能自动且连续的改变其形态,呈现丰富多彩的花型变化,从而给人以美好的视觉感受。
由可编程控制器PLC组成的小型喷泉系统在软件及硬件上均可以较好的满足控制喷泉造型变化的要求。
图1.1花样喷泉系统
1.2PLC花样喷泉控制系统
花样喷泉控制的实现方法很多,本设计题目基于可编程逻辑控制器(PLC)的喷泉控制系统,可编程逻辑控制器(PLC),不仅能够进行多种水型切换,而且能够将各种水型、灯光,按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计,使水型、灯光实现多姿多彩的变化。
通过PC与PLC之间的通信来监控喷泉的状态与效果,进而控制电动机,以达到顺利实现工业控制的要求及目的,同时还要达到低功耗、高性价比、运行安全可靠等基本要求。
第2章系统整体方案设计
2.1实现方法分析与可行性讨论
花样喷泉控制的实现方法很多,如利用单片机、工业机、PLC等都可以实现。
下面简单介绍这几种方法。
2.1.1单片机喷泉控制系统
单片机也称单片微型计算机,是把微型计算机的各部件——中央处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器/计数器等制作在一块集成电路芯片上,构成一个完整的微型计算机,如图2.1所示。
由于单片机在一块小芯片上就集成了一台计算机有具备的功能,所以其在工业控制中占据很重要的地位。
它具有超小型化、结构紧凑、抗干扰能力强等优势。
特别适合用于实时工业测量控制、智能化仪器仪表何家用电器控制等应用系统。
目前,市场上流行的单片机种类繁多,如MCS-51系列,8位单片机仍占有单片机市场60%以上的份额,促进了8位单片机朝着高性能和功能化方向发展。
其他单片机,如凌阳公司的SPCE061A16位单片机,美国TEXASINSTRUMENTS公司的MSP430系列单片机,ARM(advancedRISCMachine)嵌入式单片机等都是各有优点,在不同的领域中有着很好的应用。
图2.1单片机控制系统
单片机控制系统用于喷泉控制是完全可行的,它可以通过定时器/计数器对喷泉喷射的时间进行控制,并且也可以利用串行接口与上位机进行通信。
由于单片机的价格比较便宜,所以大批量生产时的性能价格比很高。
但由于单片机需要附属很多的外围电路,对电路的设计水平要求很高,否则便可能降低系统的稳定性,而且,由于喷泉控制系统很少会有批量生产的情况,对于小规模制作时,PCB印刷电路板的制作成本是很高的。
综上所述,此次设计采用单片机控制系统不是最佳方案。
2.1.2工控机喷泉控制系统
工控机即工业控制计算机,但现在更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑,英文简称IPC,全称IndustrialPersonalComputer。
工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机,如图2.2所示。
工控机的特点
工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机,而工业现场一般只有强烈的震动,灰色特别多,另有很高的电磁场力干扰等特点,且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。
因此,工控机与普通计算机相比必须具有以下特点:
(1)机箱采用钢结构,有较高的防震、防尘、防冲击力的能力。
(2)机箱内有专用底板,底板上有PCI和ISA插槽。
(3)机箱内有专门电缆,电源有较强的抗干扰能力。
(4)要求具有连续长时间工作能力。
自1984年内开始从事开发和推广应用工控机以来,已被广泛地应用于钢铁冶金、石油化工、机电成套设备、医学食品、数控机床、工业炉窖等工业领域、以及军工和科研设备中。
图2.2工控机控制系统
对于工控机作为喷泉控制系统,由于喷泉控制系统的环境相对工业控制环境要好的多,而且喷泉控制系统对连续长时间工作能力要求也不是很高,用工控机设计喷泉控制系统实属有些大材小用。
而且工控机的价格较同层次的PLC机要偏高,这样就更增加了系统的成本,降低了整体的性价比。
2.1.3PLC喷泉控制系统
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。
同时,PLC的功能叶不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断完善。
PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
如图2.3所示。
作为离散控制的首选产品,PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展,世界范围内的PLC年增长率保持为20%~30%。
随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大,在自动化领域占据着十分重要的位置。
PLC是由模仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造业,它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程的操作。
图2.3PLC控制系统
一个PLC的控制器,可以接收几千个I/O点(最多可达8000多个I/O),对于喷泉控制系统这样,被控的对象主要是设备连锁,回路很少,采用PLC较为合适。
PLC与由于采用通用监控软件。
在组态软件设计方面,要容易一些,且PLC通常都支持现场总线,会使得系统通信得到有利保障,更适合实现上位机的远程监控。
目前适用于喷泉控制的中小型PLC种类繁多,价格低廉。
使设计者会有更多的选择余地。
系统整体造价会比工控机低,而且不会降低系统的稳定性。
经过以上三种控制系统的可行分析可以看出,以PLC组成的控制系统是此次设计喷泉控制系统的最佳方案。
2.2总体实现方案
根据设计要求,该喷泉控制系统是由PLC组成,如图2.4所示。
PLC对喷泉的水泵进行时序控制,产生各种不同的喷水造型。
需设计两种种不同的喷泉类型。
上位机编写组态软件对喷泉的工作状态进行实时监控。
要求喷泉控制程序能够产生不同的喷水造型,并且符合美学标准,逻辑合理,且操作简单。
图2.4喷泉控制系统总体方案
第3章PLC简介
3.1PLC常识
(一)概念
可编程控制器(Programmble Controller)简称PC或PLC。
它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的,并逐渐发展成为以微处理器为核心,把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。
目前,PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中,成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置,被公认为现代工业自动化的三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一。
国际电工委员会(IEC)于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿,其定义强调了PLC应直接应用于工业环境,必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围,这是区别于一般微机控制系统的重要特征。
同时,也强调了PLC用软件方式实现的“可编程”与传统控制装置中通过硬件或硬接线的变更来改变程序的本质区别。
近年来,可编程控制器发展很快,几乎每年都推出不少新系列产品,其功能已远远超出了上述定义的范围。
(二)PLC的产生与发展
在可编程控制器出现前,在工业电气控制领域中,继电器控制占主导地位,应用广泛。
但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点,特别是其接线复杂、不易更改,对生产工艺变化的适应性差。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能,只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)。
随着微电子技术和计算机技术的发展,20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中,使PLC不仅具有逻辑控制功能,还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
20世纪80年代以后,随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展,16位和32位微处理器应用于PLC中,使PLC得到迅速发展。
PLC不仅控制功能增强,同时可靠性提高,功耗、体积减小,成本降低,编程和故障检测更加灵活方便,而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能,使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
我国的PLC研制、生产和应用也发展很快,尤其在应用方面更为突出。
在20世纪70年代末和80年代初,我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。
此后,在传统设备改造和新设备设计中,PLC的应用逐年增多,并取得显著的经济效益,PLC在我国的应用越来越广泛,对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。
目前,我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC,如辽宁无线电二厂、无锡光洋电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。
从近年的统计数据看,在世界范围内PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首,而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。
PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。
3.2PLC的特点与应用领域
(一)PLC的特点
PLC技术之所以高速发展,除了工业自动化的客观需要外,主要是因为它具有许多独特的优点。
它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
主要有以下特点:
1.可靠性高、抗干扰能力强
可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。
PLC的平均无故障时间可达几十万个小时,之所以有这么高的可靠性,是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施:
(1)硬件方面 I/O通道采用光电隔离,有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响;对供电电源及线路采用多种形式的滤波,从而消除或抑制了高频干扰;对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽,以减少空间电磁干扰;对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。
(2)软件方面 PLC采用扫描工作方式,减少了由于外界环境干扰引起故障;在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序,能对系统硬件电路等故障实现检测和判断;当由外界干扰引起故障时,能立即将当前重要信息加以封存,禁止任何不稳定的读写操作,一旦外界环境正常后,便可恢复到故障发生前的状态,继续原来的工作。
2.编程简单、使用方便
目前,大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言,它是一种面向生产、面向用户的编程语言。
梯形图与电器控制线路图相似,形象、直观,不需要掌握计算机知识,很容易让广大工程技术人员掌握。
当生产流程需要改变时,可以现场改变程序,使用方便、灵活。
同时,PLC编程器的操作和使用也很简单。
这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。
许多PLC还针对具体问题,设计了各种专用编程指令及编程方法,进一步简化了编程。
3.功能完善、通用性强
现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能,而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。
同时,由于PLC产品的系列化、模块化,有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,可以组成满足各种要求的控制系统。
4.设计安装简单、维护方便
由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。
PLC的用户程序大部分可在实验室进行
模拟调试,缩短了应用设计和调试周期。
在维修方面,由于PLC的故障率极低,维修工作量很小;而且PLC具有很强的自诊断功能,如果出现故障,可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息,迅速查明原因,维修极为方便。
5.体积小、重量轻、能耗低
由于PLC采用了集成电路,其结构紧凑、体积小、能耗低,因而是实现机电一体化的理想控制设备。
(二)PLC的应用领域
目前,在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业,随着PLC性能价格比的不断提高,其应用领域不断扩大。
从应用类型看,PLC的应用大致可归纳为以下几个方面:
1.开关量逻辑控制
利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制,可以取代传统的继电器控制,用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等,例如:
机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。
这是PLC最基本的应用,也是PLC最广泛的应用领域。
2.运动控制
大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
这一功能广泛用于各种机械设备,如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。
3.过程控制
大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能,有的小型PLC也具有模拟量输入输出。
所以PLC可实现模拟量控制,而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制,用于过程控制。
这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。
4.数据处理
现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能,可进行数据的采集、分析和处理,同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置,如计算机数值控制(CNC)设备,进行处理。
5.通信联网
PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其它智能设备之间的通信,PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络,以实现信息的交换,并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统,满足工厂自动化(FA)系统发展的需要。
3.3PLC的基本组成与分类
(一)PLC的基本组成
PLC是微机技术和控制技术相结合的产物,是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机,因此PLC的基本组成与一般的微机系统类似。
PLC的硬件主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。
其中,CPU是PLC的核心,输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路,通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
(二)PLC的分类
PLC产品种类繁多,其规格和性能也各不相同。
对PLC的分类,通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
1.按结构形式分类
根据PLC的结构形式,可将PLC分为整体式和模块式两类。
(1)整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内,具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。
(2)模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分,分别作成若干个单独的模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的含在CPU模块中)以及各种功能模块。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来,构成所谓叠装式PLC。
2.按功能分类
根据PLC所具有的功能不同,可将PLC分为低档、中档、高档三类。
(1)低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能,还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
(2)中档PLC 除具有低档PLC的功能外,还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。
有些还可增设中断控制、PID控制等功能,适用于复杂控制系统。
(3)高档PLC 除具有中档机的功能外,还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。
高档PLC机具有更强的通信联网功能,可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。
3.按I/O点数分类
根据PLC的I/O点数的多少,可将PLC分为小型、中型和大型三类。
(1)小型PLC I/O点数为256点以下的为小型PLC。
其中,I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC。
(2)中型PLC I/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC。
(3)大型PLC I/O点数为2048以上的为大型PLC。
其中,I/O点数超过8192点的为超大型PLC。
在实际中,一般PLC功能的强弱与其I/O点数的多少是相互关联的,即PLC的功能越强,其可配置的I/O点数越多。
因此,通常我们所说的小型、中型、大型PLC,除指其I/O点数不同外,同时也表示其对应功能为低档、中档、高档。
3.4PLC的工作原理
一.扫描技术
当PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
(一)输入采样阶段在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。
(二)用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即,在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
(三)输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。
这时,才是PLC的真正输出。
3.5PLC的性能指标与发展趋势
(一)PLC的性能指标
1.存储容量
存储容量是指用户程序存储器的容量。
用户程序存储器的容量大,可以编制出复杂的程序。
一般来说,小型PLC的用户存储器容量为几千字,而大型机的用户存储器容量为几万字。
2.I/O点数
输入/输出(I/O)点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和,是衡量PLC性能的重要指标。
I/O点数越多,外部可接的输入设备和输出设备就越多,控制规模就越大。
3.扫描速度
扫描速度是指PLC执行用户程序的速度,是衡量PLC性能的重要指标。
一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度,通常以ms/K字为单位。
PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间,可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间,来衡量扫描速度的快慢。
4.指令的功能与数量
指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。
编程指令的功能越强、数量越多,PLC的处理能力和控制能力也越强,用户编程也越简单和方便,越容易完成复杂的控制任务。
5.内部元件的种类与数量
在编制PLC程序时,需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。
这些元件的种类与数量越多,表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。
6.特殊功能单元
特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。
近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发,特殊功能单元种类日益增多,功能越来越强,使PLC的控制功能日益扩大
7.可扩展能力
PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。
在选择PLC时,经常需要考虑PLC的可扩展能力。
(二)PLC的发展趋势
1.向高速度、大容量方向发展
为了提高PLC的处理能力,要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前,有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。
PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
在存储容量方面,有的PLC最高可达几十兆字节。
为了扩大存储容量,有的公司已使用了磁泡存
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